一种莫尔效应人工表面等离激元色散的调控装置及方法与流程

1.本发明涉及一种基于莫尔效应的人工表面等离激元色散调控技术，属于微波毫米波技术领域。


背景技术：

2.表面等离子体激元(spp)是光频域中高度局域化的表面波，存在于金属-电介质界面。然而，在低频(即微波和太赫兹)中，这种界面不支持spp，因为大多数金属不再像具有负介电常数的等离子体。为了解决这个问题，提出了一种新的spoof spp(sspp)概念，它被支撑在具有波纹孔或凹槽的金属表面上。这种新的等离子体超材料与光学spp具有相似的色散特性和场局域能力。人工表面等离激元传输线是一种印刷在高频介质基板上的、具有周期性梳齿结构的金属条带，具有亚波长的场局域特性和较低的传输损耗，并且可以共形传输，是一种可满足微波毫米波系统电路小型化、共形化需求的新型传输载体。人工表面等离激元传输线的电磁特性可以通过改变其几何形状轻松控制。近年来，基于sspp的微波器件的发展引起了许多研究人员的关注。
3.在负群速材料中，电磁波的相速度和群速度以相反方向传播，又被称为后向电磁波。在近些年来，它在超材料和表面等离激元的获得关注的背景下引起了研究者们相当大的兴趣。后向波是负群速材料的重要特性，具有许多应用潜力，例如完美透镜、超透镜、电磁隐形、先进天线设计和加速器应用.左手传输线和许多新颖的电磁组件或天线概念已经有效地实现了负群速器件的效果。但是他们的结构一般较为复杂，在表面等离激元领域引起负群速的结构一般是两组错位的梳齿结构或者对称的梳齿结构。这些负群速器件的设计过程复杂，而且调节负群速的方式繁琐。这些负群速器件功能单一，不能同时用作其他方面的应用。


技术实现要素：

4.为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种莫尔效应人工表面等离激元色散的调控装置及方法。
5.为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
6.一种基于莫尔效应对人工表面等离激元的色散进行调控的装置，包括介质基板，与介质基板一面连接的莫尔sspp传输线，与介质基板另一面连接的金属地；所述sspp传输线包含莫尔sspp单元，以莫尔sspp单元为中心，在莫尔sspp单元两端对称分布的匹配过渡段，在匹配过渡段两端对称分布的微带波导。
7.优选地，根据权利要求1所述的一种基于莫尔效应对人工表面等离激元的色散进行调控的装置，其特征在于，所述的莫尔单元由sspp梳齿单元与周期相近的梳齿单元层叠后发生干涉所产生的一维莫尔效应形成，构成如下关系：
8.pm＝(pa*pb)/(|p
a-pb|)
9.其中，pm为莫尔单元的周期；pa为原始周期；pb为叠加周期。
10.优选地，莫尔sspp传输线通过调整叠加周期pb在原始周期pa的基模内产生负群速频段与连续调整带隙的中心频率。
11.优选地，莫尔sspp传输线印制在介质基板上，两侧的微带波导作为信号输入端与输出端。
12.优选地，匹配过渡段梳齿上方的坡度是由微带波导宽度逐渐增加到梳齿单元的宽度，匹配过渡段梳齿下方的坡度是由梳齿单元的宽度逐渐减少至微带波导宽度。
13.优选地，莫尔sspp传输线的由基模与一阶高次模式产生的带隙通过改变梳齿的宽度a进行连续的调整。
14.优选地，所述介质基板为损耗角为正切2.2～2.65的高频板材。
15.一种通过基于莫尔效应对人工表面等离激元的色散进行调控的方法，其特征在于，在传统sspp传输线上的基础梳齿单元上叠加一层周期相近的梳齿单元，由于叠加单元与基础单元周期不同而发生一维莫尔干涉，在sspp传输线上形成多个独特的莫尔sspp单元；通过改变叠加单元的周期，进而改变莫尔单元的图形与周期；通过对叠加单元的周期进行连续调控，实现对莫尔单元色散的基模与第一高次模式形成的带隙位置与负群速频段进行连续调控。
16.采用上述技术方案带来的有益效果：
17.与现有技术相比，本发明通过莫尔干涉产生的莫尔单元实现负群速，与前面复杂的设计方法简便很多，并且负群速频段与带隙可以通过对单一几何参数的调控实现连续控制。带隙的宽度也可通过单一几何参数实现连续调控，相比现有技术设计过程明显简化。可以将莫尔效应sspp调控色散的方法用于实现负群速，构造带阻滤波器与带阻漏波天线等微波器件的开发。
附图说明
18.图1为本发明的实施例1：莫尔sspp单元结构正视图；
19.图2为在原始周期上叠加不同周期的单元时，形成的不同莫尔sspp单元的色散曲线；
20.图3为加载了莫尔sspp单元的微带型莫尔sspp传输线的三维示意图；
21.图4为加载不同莫尔sspp单元的微带型莫尔sspp传输线的s参数；
22.图5为本发明的实施例2：利用莫尔sspp调控色散机理构造的单阻带滤波器的莫尔sspp单元；
23.图6为莫尔sspp单阻带滤波器单元在不同金属梳齿宽度a下的色散曲线；
24.图7为莫尔sspp单阻带滤波器的结构正视图；
25.图8为莫尔sspp单阻带滤波器在不同金属梳齿宽度a下的s参数。
具体实施方式
26.以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
27.本发明通过莫尔干涉效应构建莫尔sspp传输线，实现对色散的调控。构造负群速频段与模式间的带隙，并可以通过几何参数的改变实现连续调控。所述传输线的介质基底可为聚四氟乙烯，也可选用其他低损耗角正切的高频板材，如rogers5880。莫尔sspp传输线
表面的莫尔sspp传输线以及底部的金属地采用金属印刷工艺在上面覆盖一层35um的铜。
28.对于微带型莫尔sspp传输线，通过微带馈入信号，经过匹配过渡段来对其进行激励。所述过渡结构是微带宽度渐变至单元底部金属线宽度，槽深渐变至h的渐变单元结构。
29.下面结合附图和实施例对本发明进行更深入的详细说明。
30.实施例1：
31.微带型莫尔sspp传输线。
32.图1为莫尔sspp单元的一个构造示意图，由周期为pa的原始单元层和周期为pb的叠加单元层重叠产生干涉，形成周期为pm莫尔周期。莫尔单元底部的材料为聚四氟乙烯，介电常数为2.65.损耗角正切0.001，厚度为1mm。表面是金属莫尔单元，背面为金属地，金属的厚度均为35um。
33.图2为不同莫尔周期的色散曲线。其中pa＝4.5mm,通过改变pb的数值来调控莫尔周期的图案与周期pm的数值。当pb由3.1mm增加到3.5mm时，基模与高次模式之间的带隙与莫尔sspp单元对应的负群速频段都会往高频移动。
34.图3是微带型莫尔sspp传输线的整体结构示意图。传输线整体长度280mm，宽30mm，微带宽度wa＝2.7mm,金属梳齿a＝1mm,单元底部金属条带宽度为w。利用微带与匹配过渡段给莫尔sspp传输线部分馈电。整体模型分为三段，ⅰ部分为微带部分，ⅱ部分为匹配过渡段，ⅲ部分为莫尔sspp传输线部分。
35.图4为加载了不同周期的莫尔sspp单元的情况下，莫尔sspp传输线对应的s参数的变化情况。可以看到莫尔单元产生的带隙随着叠加周期pb的变化而规律性的移动。pb数值越远离pa，阻带的位置会往低频移动。
36.实施例2：
37.图5为单阻带莫尔sspp单元的一个构造示意图，由周期为pa＝4.5mm的原始单元层和周期为pb＝3mm的叠加单元层重叠产生干涉，形成周期为pm＝9mm的莫尔周期。莫尔单元底部的材料为聚四氟乙烯，介电常数为2.65，损耗角正切0.001，厚度为1mm。表面是金属莫尔单元，背面为金属地，金属的厚度均为35um。
38.图6为不同梳齿宽度a时单阻带莫尔sspp单元色散曲线的变化情况。当梳齿宽度a由1mm增加到1.5mm时，基模与高次模式之间的带隙在中心频率基本不变的情况下宽度会随着改变。随着梳齿宽度的增加，带隙的宽度也随之增加，并在梳齿宽度a＝pa/3时，较小的沟槽会消失，此时带隙到达最大值。
39.图7是单阻带莫尔sspp滤波器的整体结构示意图。其微带与单元底部金属条带宽度与莫尔sspp传输线相同。单阻带莫尔sspp滤波器整体长度240mm，宽30mm，利用微带与匹配过渡段给单阻带莫尔sspp传输线部分馈电。整体模型分为三段，ⅰ部分为微带部分，ⅱ部分为匹配过渡段，ⅲ部分为莫尔sspp传输线部分。
40.图8为加载了不同周期的莫尔sspp单元的情况下，莫尔sspp传输线对应的s参数的变化情况。可以看到莫尔单元产生的带隙随着金属梳齿a的变化而规律性的改变，a数值越大，阻带的带宽位置会越宽。
41.实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。